5. lecke. Jármű főegységek jeladói II.

iDevice ikon A lecke célja
A jármű főegységek jeladóinak, és azok működési módjának megismerése.

iDevice ikon Követelmények
A hallgató legyen képes:
  • saját szavaival elmondani az egyes érzékelők működési elvét,
  • felsorolásból kiválasztani az egyes érzékelők tulajdonságait,
  • párosítani egymáshoz az egyes eszközök nevét és működési elvét,

iDevice ikon Időszükséglet
A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége.

iDevice ikon Kulcsfogalmak
  • kopogásszenzor,
  • lambda-szonda,
  • torlónyomásos légtömegmérő,
  • piezorezisztív, kapacitív és piezoellenállásos gyorsulásmérő,
  • piezoellenállásos nyomásmérő.

iDevice ikon 5.1 Kopogás-szenzor
Tevékenység:
  • Jegyezze meg a piezoelektromos átalakító működési elvét!
  • Fogalmazza meg, hogyan használható fel a piezoelektromos átalakító a kopogásos égés érzékelésére!
Kopogás a motorban akkor keletkezik, ha rendellenes égési folyamat zajlik le benne.
A keverék egy része robbanásszerűen ég el. Ez függ a hőmérséklet és nyomásviszonyoktól. Az erőssége attól függ, hogy ez a keveréknek mekkora hányada. Következménye lehet az egyes szerkezeti elemek túlzott igénybevétele, ami károsodáshoz vezethet. Általában nagyobb terhelési állapotban keletkezik.
A kopogás-szenzor a motorblokk rezgéseit érzékeli. Ez kb. 5 – 10 kHz-es rezgéseket jelent. A kopogásos égés az előgyújtási szög csökkentésével szüntethető meg.

Az érzékelő eleme egy kvarckristály (SiO2), mely nyomóerő esetén deformálódik, és villamos feszültség keletkezik rajta, azaz pozitív és negatív töltések válnak szét a lapon. Ezt nevezzük piezoelektromos átalakítónak. A kristályra a motor rezgéseiből következően változó erő hat, ezért a keletkezett feszültség is változik rajta. A kopogásos égésre tehát a feszültség változásából lehet következtetni. A piezoelektromos hatást lehet fokozni, ha több kristálylemezt helyezünk egymásra. Vázlatos elrendezése az 1. ábrán, fényképe a 2. ábrán látható.



1. ábra. Piezoelektromos hatás

Érdemes megemlíteni, hogy nem csak a kvarc (SiO2) mutat piezoelektromos tulajdonságot. Ilyen anyag lehet például még:
  • ZnO, CdS (félvezető/félszigetelő ionos kristályok),
  • LiNbO3  BaTiO3,
  • PVDF (húzott-polarizált poli (vinilidén-fluorid),
  • PZT  Pb(Zr,Ti)O3.
A piezoelektromos átalakítók előnyei:
  • kis méret,
  • jó dinamikus tulajdonság.
Hátránya:
  • elektronikus töltéserősítésre van szükség,
  • statikus hatás mérésére nem alkalmas a töltés kisülése miatt.



2. ábra. Kopogás-szenzor

iDevice ikon 5.2 Lambda-szonda
Tevékenység:
  • Jegyezze meg, milyen célra alkalmazzák a lambda-szondát!
  • Fogalmazza meg, milyen elven működik a feszültség-szonda és az ellenállás-szonda!
  • Jegyezze meg, mik az egyes típusok megfelelő működésének feltételei!
A lambda-szonda a kipufogógázban visszamaradó oxigén mennyiségét hasonlítja össze a légkör oxigéntartalmával. Azért van rá szükség, mert az optimális keverékaránnyal csökkenthetjük a káros, környezetszennyező kipufogógáz mennyiségét, mert tökéletesebb az égés. A mért adatok alapján, az oxigéntartalom függvényében a motorvezérlő elektronika változtatja a keverék összetételét. Gyakran oxigén-szenzornak is említik. A lambda-szonda az elnevezését az úgynevezett levegőtényező jeléről (λ) jeléről kapta.



Az elméleti levegőmennyiség az a levegőmennyiség, amely éppen elegendő a hengerbe vezetett üzemanyag elégetéséhez.
A λ optimális értéke: 1.

A lambda-szondának több fajtája ismert:
  • feszültség-szonda (oxigén koncentráció különbség szükséges hozzá),
  • ellenállás-szonda (nincs szükség oxigén koncentráció különbségre).
A feszültség-szonda érzékelője ZrO2 alapú (cirkónium-oxid) és porózus platina réteggel bevont. A katalizátor előtt és után helyezik el. Vázlatos elrendezése 3. ábrán, fényképe a 4. ábrán látható.
Alakja tubus jellegű. A tubus külső rétege a kipufogó csőben érintkezik a kipufogógázban lévő oxigénnel. A tubus belseje pedig a környező levegő oxigénjével érintkezik. A környező levegő oxigéntartalma állandó, a kipufogógázban lévőnél jóval nagyobb. A két helyen lévő oxigén koncentráció közötti különbség a lambda-szonda két elektródja között feszültséget kelt.




3. ábra. Lambda-szonda elhelyezése



4. ábra. Lambda-szenzorok

Forrás: http://www.injektor.hu/index.jsp?id=2&main=133&akt=2


A lambda-szonda kimenetén a feszültség (kimeneti jel) körülbelül 0,1 és 0,9 V között változik. Amennyiben a kipufogógáz oxigéntartalma 3 %, akkor a kimeneten 0,1 V a feszültség. Ha az oxigén tartalom ennél kevesebb, a különbség mértékétől függően a feszültség 0,9 V-ig növekszik.
Az oxigénkoncentrációra jellemző feszültséget az ECM értékeli ki, és ad parancsot beavatkozásra. Mivel a szenzor 300 °C felett működik, ezért csak bemelegedés után használható. Ezért fűtéssel látják el. A fűtött lambda-szondák gyorsabb szabályozási folyamatot tesznek lehetővé.

Katalizátor felügyelete esetén, a katalizátor után szintén helyeznek el lambda-szondát, melynek jele ugyancsak az EMC-be kerül, így például ellenőrizhető az öregedése. Korszerű gépjárműveknél több lambda-szonda kerül beépítésre, például hengercsoportonként.

Az ellenállás-szonda titándioxidból készül. A titándioxid jellemzője, hogy villamos ellenállása a kipufogógázban lévő oxigén mennyiségével arányosan változik. Ha nagyobb az oxigén aránya, akkor ohmos ellenállása növekszik, csökkenő oxigéntartalom a villamos ellenállás csökkenését vonja maga után. Nincs szükség referenciaoxigénre, de a vezérlőegységnek a titándioxidból készült érzékelőt tápfeszültséggel kell ellátni. Ez lehetővé teszi az ellenállásos feszültségosztós megoldás használatát.

iDevice ikon 5.3 Torlónyomásos légtömegmérő
Tevékenység:

Magyarázza el a torlónyomásos légtömegmérő működését!

A torlónyomásos légtömegmérő vázrajzát az 5. ábrán, fényképét a 6. ábrán láthatjuk. A torlócsappantyúra az érzékelőn átáramló levegő erőt fejt ki egy sprirálrugó ellenében.
A torlócsappantyú és egy forgó potenciométer tengelye közös, így a levegő torlónyomása a potenciométert is forgatja. Így elérhető, hogy egy ellenálláslánc, melynek része a potenciométer, feszültségosztás révén mérje a beáramló levegő térfogatáramát.



5. ábra. Torlónyomásos légnyelésmérő vázrajza

Forrás: http://webshop.langauto.hu/kepek/muszaki/5.2.pdf




6. ábra. Légnyelésmérő fényképe

Forrás: http://webshop.langauto.hu/kepek/muszaki/5.2.pdf

iDevice ikon 5.4 Gyorsulás jeladók
Tevékenység:
  • Fogalmazza meg, milyen elven történik a gyorsulás mérése!
  • Jegyezze meg, hogy az egyes jeladók milyen módon érzékelik a deformációt!
A gyorsulás-érzékelőknek többfajta felhasználása ismert.

Alkalmazhatók:
  • gépjármű gyorsulásának meghatározására, pl. ABS (blokkolásgátló rendszer),
  • ESP (elektronikus stabilitásprogram) működtetésére,
  • felfüggesztési rendszerek szabályozására,
  • légzsák, övfeszítő működtetésére,
  • ütközés-érzékelésre,
  • vezetési stílus figyelésére,
  • stb.
Az egyes helyeken más és más érzékenységű és méréshatárú gyorsulásmérőket használnak. Erre azért van szükség, mert az érzékenység és a méréshatár egymás rovására megy.

A gyorsulás mérését erőmérésre vezetik vissza. A mérést az teszi lehetővé, hogy az erő és az általa okozott deformáció (az anyag rugalmasság határáig) lineáris kapcsolatban van.
Korábbi érzékelőkben nyúlásmérő bélyegekkel érzékelték a gyorsulásból eredő deformáció mértékét. A nyúlásmérő bélyeg műanyag fóliába ágyazott vékony ellenálláshuzal vagy ellenállás réteg, amelynek villamos ellenállása változik nyomott vagy húzott állapotban. A húzott vagy nyomott állapot erő hatására jön létre. Az erő gyorsulás hatására jön létre (7. ábra). A bélyeget mindig oda helyezzük el, ahol a gyorsulásból származó erő deformációt tud létrehozni.




7. ábra. Gyorsulás jelátalakító egyszerűsített modellje


A hőmérséklet változásából eredő villamos ellenállás változást egy keresztirányú kompenzáló bélyeggel hatástalanítják 8. ábra. Ezekben a megoldásokban a deformációból eredő ellenállások megváltozásai egy hídkapcsolásban a kimeneten feszültségváltozást eredményeznek (9. ábra). A gépjárműtechnikában jelenleg már nem használatosak, csak az alapelv miatt tárgyaljuk, mivel ezen alapszik a piezorezisztív megoldás is.




8. ábra. Nyúlásmérő bélyeg kompenzáló kivitelben




9. ábra. Hídkapcsolás





Gépjárművekben manapság alkalmazott tipikus jeladók:
  • piezorezisztív érzékelés,
  • piezoelektromos hatás mérése,
  • kapacitás változás mérése.
Piezorezisztív érzékelésnél nyúlásmérő bélyegek helyett piezorezisztív ellenállások érzékelik a deformációt. Ezen ellenállások jellemzője, hogy a deformáció hatására változik az ellenállás értéke. Anyaguk általában szilícium (Si). A szilícium rugalmassági állandója hasonló a rugóacéléhoz.
3 dimenziós (3D) térben történő gyorsulások mérésére egy tokba helyeznek el a három koordináta-tengely irányába működő 3 gyorsulásérzékelőt.

A kapacitív szenzoroknál a gyorsulásból eredő kapacitás megváltozása eredményezi a kimeneti feszültséget szintén a hídkapcsolásba helyezett elrendezés kimenetén. A megoldásnál egy nagy felületű membrán alkotja a kapacitás egyik fegyverzetét. A másik fegyverzet egy nyomásálló házban szigetelten elhelyezkedő vastag lemez. A membrán erő hatására deformálódik, közeledik vagy távolodik a fix elektródához, így a kapacitás megváltozik, hiszen a síkkondenzátor kapacitása fordítottan arányos a fegyverzetek távolságával. Az érzékelőt nagyfrekvenciás hídba kötve a kapacitás változása az RF feszültség változásaként mérhető.
Ellentétben a piezorezisztív elven alapuló megoldással, itt a hídkapcsolást váltakozó feszültséggel kell táplálni (10. ábra), így a kimeneten szintén váltakozó feszültség jelenik meg, melyet a szenzoron belül vagy analóg egyenfeszültséggé, vagy digitális jellé alakítanak.



10. ábra. Kapacitív hídkapcsolás


Piezoelektromos gyorsulásmérő esetén tipikus esetben kvarcot (SiO2) használnak. Deformáció esetén két szemben lévő lapon feszültség keletkezik. Működése hasonló a kopogás-szenzornál bemutatottakhoz.
Úgy is fogalmazhatunk, hogy mechanikai feszültséget érzékel. Ez a megoldás statikus gyorsulás mérésére nem alkalmas, mivel a keletkezett villamos töltések kisülnek a környezeten.

iDevice ikon 5.5 Nyomásérzékelők
Tevékenység:

fogalmazza meg a piezoellenállással és az indukciós tekerccsel történő nyomásmérés elvét.

Nyomásmérő szenzorokat alkalmaznak például
  • pneumatikus és hidraulikus rendszerekben,
  • motor szívóhatás,
  • keréknyomás,
  • kompresszió,
  • féknyomás,
  • égéstérnyomás,
  • lengéscsillapító nyomás mérésére,
  • stb.
A nyomás érzékelésének egyik eleme egy rugalmas membrán. A nyomás hatására kialakuló deformáció több módon is mérhető. Ez lehet nyúlásmérő bélyeges, piezorezisztív, piezo-elektromos és kapacitív deformáció-érzékelés. A nyomásból eredő deformációt például mérhetik a membránra felragasztott nyúlásmérő bélyegekkel, melyeket hídkapcsolásba kötnek. A nyúlásmérő bélyeg anyaga lehet polikristályos adalékolt szilícium.
A nyomásmérők esetében manapság a szilícium-alapú szenzorok terjednek el egyre jobban.
Piezoellenállásos megoldás elrendezését a 11. ábrán láthatjuk.




11. ábra. Nyomásérzékelő piezoellenállással

Szívócsőben például nyomásérzékelő piezoellenállással mérik a nyomást. A vákuum és a szívócső közötti nyomáskülönbség erőt fejt ki a membránra, melynek eredményeként megváltozik a piezoelem villamos ellenállása. Az ellenállás megváltozása egy áramkörben feszültségváltozást idéz elő.  Így a szívócsőnyomás értéke feszültségként jelenik meg, mely bekerül a számítógépes kiértékelésbe.
Megjegyezzük, hogy korábban szívócső nyomásérzékelőt indukciós tekerccsel (12. ábra) is megvalósítottak. Nyomásváltozáskor membrán egy tekercsben elmozdított egy vasmagot. Ennek eredményeként változott a tekercs induktivitása (L), és ez az induktivitás-változás került kiértékelésre.




12. ábra. Nyomásérzékelő indukciós tekerccsel

Önellenőrző kérdések
1. Jelölje meg, melyik eszközre jellemző, hogy nyomóerő hatására villamos feszültség keletkezik rajta?
A feszültségszondára.
Az ellenállás-szondára.
A piezoelektromos átalakítóra.
A nyúlásmérő bélyegre.
A lambda-szondára.



2. Jelölje meg, melyik eszközre jellemző, hogy az oxigén-koncentráció változásának hatására változik a villamos ellenállása?
A feszültség-lambda-szondára.
Az ellenállás-lambda-szondára.
A piezoelektromos átalakítóra.
A nyúlásmérő bélyegre.



3. Jelölje meg, melyik eszközre jellemző, hogy a rajta átáramló levegő egy forgó potenciométert mozgat?
A lambda-szondára.
A torlónyomásos légtömegmérőre.
A kopogásszenzorra.
A nyomásérzékelőre.



4. Jelölje meg, az alábbiak közül melyik mennyiség mérését végzik ellenálláshuzallal, amelynek ellenállása változik húzott, vagy nyomott állapotban?
Oxigén-koncentráció.
A motor rezgéseinek frekvenciája.
Gyorsulás.
Levegő térfogatárama.
Nyomás.



5. Jelölje meg, melyik gyorsulásérzékelőre igaz, hogy egy mozgó membránnak egy fix elektródához viszonyított helyzete alapján mér gyorsulást?
Piezoelektromos.
Kapacitív.
Piezorezisztív.



6. Jelölje meg, milyen elven működik a kopogásszenzor!
A motor rendellenes rezgéseit lambda-szonda érzékeli.
A motor rendellenes rezgéseit feszültségszonda érzékeli.
A motor rendellenes rezgéseit piezoelektromos egység érzékeli.
A motor rendellenes rezgéseit nyúlásmérő bélyeg érzékeli.



7. Jelölje meg az alábbiak közül a feszültség-lambda-szondára igaz állításokat!
A kipufogógázban levő oxigén mennyiségét hasonlítja a levegő oxigéntartalmához.
Az oxigén-koncentráció függvényében változik a villamos ellenállása.
Egyik elektródája érintkezik a levegő oxigénjével.
Csak 300 °C felett működik.
Tápfeszültséggel kell ellátni.



iDevice ikon
8. Magyarázza el, hogyan működnek az alábbi eszközök:
  • torlónyomásos légtömegmérő,
  • kopogásszenzor,
  • lambda-szonda,
  • piezorezisztív, kapacitív és piezoellenállásos gyorsulásmérő,
  • piezoellenállásos nyomásmérő.